Tính toán thiết kế lưới điện

Phân tích nguồn và phụ tải là công việc quan trọng trong công tác thiết kế lưới điện. Tính toán thiết kế có chính xác hay không hoàn toàn phụ thuộc vào mức độ chính xác của công tác thu thập phụ tải và phân tích. Phân tích nguồn là một công việc quan trọng không thể thiếu nhằm định hướng phương thức vận hành của mạng điện. Nâng cao hiệu suất của toàn hệ thống và tiết kiệm chi phí vận hành.

CHƯƠNG I CÂN BẰNG CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ PHẢN KHÁNG TRONG HỆ

THỐNG

1.1 Phân tích nguồn điện và phụ tải

Phân tích nguồn và phụ tải là công việc quan trọng trong công tác thiết kế lưới điện.

Tính toán thiết kế có chính xác hay không hoàn toàn phụ thuộc vào mức độ chính xác của công tác thu thập phụ tải và phân tích.

Phân tích nguồn là một công việc quan trọng không thể thiếu nhằm định hướng phương thức vận hành của mạng điện Nâng cao hiệu suất của toàn hệ thống và tiết kiệm chi phí vận hành.

1.1.1 Nguồn điện

Trạm điện khu vực điện áp 220/110/35 kV, hệ số công suất cosϕ =0,9.

Nguồn điện có nhiệm vụ đảm bảo cung cấp cho 5 hộ tiêu thụ về công điện năng theo yêu cầu, chất lượng điện năng về tần số và giá trị điện áp Cũng như phải đảm bảo tính liên tục trong cung cấp điện, an toàn với chi phí hợp lý.

P max : công suất tác dụng yêu cầu của phụ tải, MW;

Q max : công suất phản kháng yêu cầu của phụ tải, MVAr;

cosϕ: hệ số công suất của phụ tải.

Bảng 1.1 Thông số của các phụ tải Phụ tải P max , MW Q max , MVAr S max , MVA

1.2 Cân bằng công suất

Để hệ thống làm việc ổn định đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải thì nguồn điện phải đảm bảo cung cấp đủ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q cho các hộ tiêu thụ Kể cả tổn thất công suất trên các phần tử của hệ thống Nếu sự cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa nguồn cung cấp với công suất tiêu thụ bị phá vỡ thì các chỉ tiêu chất lượng điện năng bị giảm dẫn đến thiệt hại kinh tế hoặc làm tan vỡ hệ thống Vì vậy cần phải cân bằng công suất.

1.2.1 Cân bằng công suất tác dụng

Cân bằng sơ bộ công suất tác dụng được thực hiện trong chế độ phụ tải cực đại của hệ thống

Công suất tác dụng yêu cầu với hệ thống:

P ∑ =∑P + ∆ +P P , MW (1.3)Trong đó:

P : công suất dự trữ trong hệ thống điện;

Khi cân bằng sơ bộ lấy: Pdt =10% P∑ max, ∆ =P 5% P∑ max

Như vậy theo số liệu đã cho ta có:

P Σ =∑P +15% P∑

=137 + = 157,55 (MW)

Hệ thống điện chỉ ổn định khi công suất tác dụng yêu cầu của phụ tải được cung cấp đủ

1.2.2 Cân bằng công suất phản kháng

Hệ thống điện vận hành ổn định khi có sự cân bằng giữa công suất tác dụng

và công suất phản kháng

Cân bằng công suất tác dụng để giữ cho tần số trong hệ thống ổn định Còn

để giữ được điện áp danh định thì cần phải có sự cân bằng công suất phản kháng ở

hệ thống nói chung và từng khu vực nói riêng Sự thiếu hụt công suất phản kháng

sẽ làm cho điện áp giảm Vì vậy để đảm bảo chất lượng của điện áp ở các hộ tiêu thụ trong mạng điện và trong hệ thống, cần tiến hành cân bằng sơ bộ công suất phản kháng

Cân bằng công suất phản kháng thực hiện trong chế độ phụ tải có giá trị cực đại

Công thức cân bằng công suất phản kháng:

Q ≥Q Σ + ∆Q + ∆Q + ∆Q , MVAr(1.4)Trong đó:

Q N : công suất phản kháng nhận từ hệ thống điện

Q

∑ : tổn thất công suất phản kháng trên đường dây

Công suất phản kháng lớn nhất mà nguồn có thể phát

QN = Pmax∑.tgφN = 157,55.0,48 = 75,624 (MVAr)

Công suất phản kháng yêu cầu của phụ tải

Qmax∑ = ∑Qmax = ∑Pmax.tgφ = 137.0,48 = 65,76 (MVAr)

Công suất phản kháng do diện dung ∆Q C và tổn thất công suất phản kháng trên đường dây ∆Q L trong việc thiết kế để cho đơn giản coi như bằng nhau

Tổng công suất phản kháng yêu cầu

Q maxx∑ + ∆Q BA = 65,76 + = 88,59 (MVAr) > Q N

Công suất phản kháng trong hệ thống thiếu hụt do đó cần phải bù công suất bằng cách điều chỉnh điện áp các đầu phân áp của các máy biến áp

• Khi cung cấp điện cho các phụ tải thì yêu cầu là

- Độ tin cậy cung cấp điện cho các phụ tải phải cao

- Phải đảm bảo chất lượng điện năng

- An toàn với người và thiết bị

- Giá thành rẻ, tổn thất điện năng nhỏ

- Linh hoạt trong vận hành và phải có khả năng phát triển trong tương lai

• Do yêu cầu tính liên tục trong cung cấp điện Vì vậy cần sử dụng đường dây hai mạch hay mạch vòng

2.2 Phân tích nguồn và tải

Điện áp danh định lưới điện thứ

cấp

• Công suất biểu kiến và công suất phản kháng S max ; P max ; l

Trong đó :

Đặt tọa độ X,Y tại điểm nguồn N, a (tọa độ trên trục Y), b(tọa độ trên trục X)

- Công suất biểu kiến và công suất phản kháng S max1 ; P max1 ; l 1

Phụ tải Pmax (MW) Smax (MVA) Qmax (MVAR) l(km)

Điện áp danh định của mạng điện có ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế

- kĩ thuật của mạng điện Điện áp danh định của mạng điện phụ thuộc vàonhiều yếu tố: công suất phụ tải, khoảng cách giữa các phụ tải và nguồn điện,

vị trí tương đối giữa các phụ tải với nhau Điện áp danh định của mạng điệnthiết kế được chọn đồng thời với sơ đồ cung cấp điện Điện áp danh định sơ

bộ của mạng điện có thể xác định theo giá trị của công suất trên mỗi đườngdây trong mạng điện Điện áp danh định của mạng điện thiết kế được chọnđồng thời với sơ đồ cung cấp điện Điện áp danh định sơ bộ của mạng điện

có thể xác định theo giá trị của công suất trên mỗi đường dây trong mạngđiện Điện áp hợp lí phụ thuộc vào công suất tiêu thụ và khoảng cách truyềntải, điện áp lợp lí được tính theo công thức kinh nghiệm sau

• Điện áp U hợp lí :

(kv)Trong đó:

Uhl : Là điện áp hợp lý của đường dây, kv

l : Là chiều dài đường dây, km

Pmax : Làcông suất truyền tải trên đường dây, MW

Điện áp U hl phụ tải 1:

Ta có: 75 (KV)< chọn

Điện áp U hl phụ tải 2:

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

2

3

4 N

Hình 2.1: Phương án hình tia

Tổng chiều dài đường dây D4 phương án hình tia :

= 239,97 (km)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

2

3 4

N

2.3.2 Phương án liên thông :

Hình 2.2: Phương án liên thông 1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

2

3

4 N

Tổng chiều dài đường dây D1 phương án liên thông 1:

= 221,66 (km)

Hình 2.2.1: Phương án liên thông 2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

2

3

4 N

Tổng chiều dài đường dây D2 phương án liên thông 2 :

= 231,41 (km)

Hình 2.2.2: Phương án liên thông 3

Tổng chiều dài đường dây D3 phương án liên thông 3:

= 231,19 (km)

2.3.3 Phương án mạch vòng :

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

2

3 4

2.4 Chọn dây dẫn các phương án:

a Cách thức chọn tiết diện dây dẫn

Các mạng điện 110 kV được thực hiện chủ yếu bằng các đường dâytrên không Dây dẫn sử dụng là dây nhôm lõi thép (AC) Đồng thời dây dẫnthường được đặt trên các cột bê tông ly tâm hay cột thép tuỳ theo địa hìnhđường dây chạy qua Đối với các đường dây 110 kV, khoảng cách trung

bình hình học giữa dây dẫn các pha bằng 5m (Dtb=5m) hoặc cao hơn(Dtb=6m).

Đối với mạng điện cao áp do công suất lớn, chiều dài đường dây lớndẫn đến tiết diện đường dây lớn từ đó chi phí cũng lớn theo Mặt khác mạngđiện cao áp có khả năng điều chỉnh điện áp, phạm vi điều chỉnh rộng do đóđiều kiện về tổn thất điện áp không quan trọng bằng điều kiện kinh tế

Vì vậy khi chọn tiết diện dây dẫn ta chọn theo mật độ kinh tế của dòngđiện (Jkt)

2 max

Imax : dòng điện trên đường dây trong chế độ phụ tải cực đại, A;

Jkt : mật độ kinh tế của dòng điện, A/mm2;

Với dây AC và Tmax = (3600 5000)h thì Jkt = 1,1 A/mm2

Dòng điện chạy trên đường dây trong chế độ phụ tải cực đại xác địnhtheo công thức:

3 max

n : là số mạch của đường dây (đường dây một mạch n=1,

đườngdây hai mạch n=2)

Udđ : là điện áp danh định của mạng điện, kV

Smax : là công suất chạy trên đường dây khi phụ tải cực đại, MVADựa vào tiết diện dây dẫn tính được, chọn tiết diện dây dẫn tiêu chuẩngần nhất và kiểm tra các điều kiện về sự phát nóng trong chế độ sự cố

Đối với đường dây 110 kV, để hạn chế vầng quang các dây nhôm lõithép cần phải có tiết diện tối thiểu: F ≥ 70 mm2

Độ bền cơ học của đường dây trên không thường được kết hợp với cácđiều kiện về vầng quang nên không cần phải kiểm tra điều kiện này

Để đảm bảo cho đường dây vận hành khi chế độ sự cố cần phải thỏamãn điều kiện phát nóng sau

Isc = k.Icp , A (2.4)

Trong đó :

Isc : là dòng điện chạy trên đường dây trong chế độ sự cố

Icp : là dòng điện làm việc lâu dài cho phép của dây dẫn, A

k : là hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ, tra bảng 3 - phụ lục

b Kiểm tra tổn thất điện áp

Để đảm bảo chất lượng điện áp ở hộ tiêu thụ điện, điện áp trên lướiđiện phải đảm bảo luôn lớn hơn hoặc bằng điện áp danh định Muốn đạtđược các giá trị này thì tổn thất điện áp từ đầu nguồn đến mọi điểm trên lướiđiện phải nhỏ hơn hoặc bằng giá trị cho phép trong khi vận hành bìnhthường và chế độ sự cố

Theo như yêu cầu thiết kế, các giá trị cho phép đó là:

∆ ∆ : là các giá trị tổn thất điện áp cho phép

Tổn thất điện áp trên đường dây khi vận hành bình thường được xácđịnh theo công thức:

P, Q: là công suất chạy trên đường dây - MW, MVAr

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

2

3

4 N

R, X: là điện trở và điện kháng của đường dây, Ω

Udđ : là điện áp danh định của mạng điện, kV

Đối với đường dây có hai mạch, sự cố ngừng một mạch thì tổn thấtđiện áp trên đường dây khi đó bằng

∆ U % (1,5 2) U %sc = ÷ ∆ bt (2.7)

Sau đây ta sẽ đi tính toán cho từng phương án

2.4.1 Phương án 1(Phườn án hình tia):

58 ,3

1

50,9

44,7241

,23

• Khi đường dây 2 lộ song song xảy ra sự cố đứt 1 dây thì dây còn lại chịu điện

- Đoạn từ N-2:

( Thỏa mãn)

- Đoạn từ N-3:

- Dựa vào các thông số trên ta có bảng tổng kết sau:

Bảng 2.4: Bảng tổng kết phương án 1 (Phương án hình tia):

N đến

1

AC

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

2

3 4

∆Ubt(max)% =∆UbtN1=7,73% < 10%

∆Usc(max)% = ∆UscN1 = 15,46% < 20%

2.4.2 Phương án 2 ( Các phương án liên thông)

2.4.2.1 Phương án liên thông 1:

50,99

km40km

km

Hình 2.5.1: Phương án liên thông 1

- Chọn theo điều kiện kinh tế với J kt = 1,1(A/mm 2 )

- Dòng điện chạy trên các đoạn đường dây: Dựa vào công thức:

Tiết diện dây dẫn của các đoạn đường dây là :

Dựa vào công thức:

Đoạn từ N-5, F N5 :

Đoạn từ 5-1, F 5.1:

Đoạn từ N-2, F N2 :

- Kiểm tra dây dẫn( Kiểm tra điều kiện phát nóng )

• Khi đường dây 2 lộ song song xảy ra sự cố đứt 1 dây thì dây còn lại chịu điện áp sự cố lớn gấp đôi.

Đoạn từ N-2:

- Dựa vào các thông số trên ta có bảng tổng kết sau:

Bảng 2.5: Bảng tổng kết phương án liên thông (Phương án liên thông 1):

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

2

3

4 N

∆Ubt(max)% =∆UbtN5=8,6% < 10%

∆Usc(max)% = ∆UscN5 = 17,2% < 20%

2.4.2.2 Phương án liên thông 2:

Hình 2.5.2 Phương án liên thông 2

• Chọn theo điều kiện kinh tế với J kt = 1,1(A/mm 2 )

58 ,3km 42,4

2km

44,7km

41 ,2 km

Dòng điện chạy trên các đoạn đường dây:

Dựa vào công thức:

Tiết diện dây dẫn của các đoạn đường dây là :

Dựa vào công thức:

• Kiểm tra dây dẫn( Kiểm tra điều kiện phát nóng )

Khi đường dây 2 lộ song song xảy ra sự cố đứt 1 dây thì dây còn lại chịuđiện áp sự cố lớn gấp đôi

Dòng sự cố trên các đoạn:

Đoạn từ N-4:

( Thỏa mãn)

Dựa vào các thông số trên ta có bảng tổng kết sau:

Bảng 2.4: Bảng tổng kết phương án 1 (Phương án hình tia):

Đường

dây

Loaạidây ICP (A) R (Ω) X (Ω)

S(MVA)

∆Ubt(max)% =∆UbtN1=7,73% < 10%

∆Usc(max)% = ∆UscN1 = 15,46% < 20%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

2

3

4 N 2.4.2.3 Phương án liên thông 3:

Hình 2.5.3 Phương án liên thông 3

• Chọn theo điều kiện kinh tế với J kt = 1,1(A/mm 2 ) Dòng điện chạy trên các đoạn đường dây:

Dựa vào công thức:

Đoạn từ N-1, I N1 :

Đoạn từ N-2, IN2:

Đoạn từ N-5, IN5:

Đoạn từ N-4, IN4:

Đoạn từ 4-3, I43:

Tiết diện dây dẫn của các đoạn đường dây là :

Dựa vào công thức:

Đoạn từ 4-3:

FN3= 95mm2, Icp=335 A, r0=0,33Ω/km, x0=0,423Ω/km, b0=2,69 S/km

Đoạn từ N-4:

FN4= 185mm2, Icp=515 A, r0=0,17Ω/km, x0=0,401Ω/km, b0=2,8 S/km

• Kiểm tra dây dẫn( Kiểm tra điều kiện phát nóng )

• Khi đường dây 2 lộ song song xảy ra sự cố đứt 1 dây thì dây còn lại chịu điện áp sự cố lớn gấp đôi.

• Dựa vào các thông số trên ta có bảng tổng kết sau:

Bảng 2.4: Bảng tổng kết phương án 1 (Phương án hình tia):

∆Ubt(max)% =∆UbtN1=7,73% < 10%

∆Usc(max)% = ∆UscN1 = 15,46% < 20%

2.4.3.4 Phương án mạch vòng N-4-3-N

a Chọn tiết diện dây dẫn

Xác định dòng công xuất chạy trên các đường dây dẫn trong mạngđiện kín N-4-3-N

Công suất chạy trên đường dây N-4:

Công suất trên đường dây N-3:

Chọn tiết diện dây dẫn cho mạng điện kín N-4-3-N.

Chọn tiết diện dây dẫn đường dây N-4

- Chọn tiết diện dây dẫn tiêu chuẩn gần nhất: dây AC-185

- Thông số tính toán dây AC-185: r0=0,17 Ω/km; x0=0,401 Ω/km;

- Chọn tiết diện dây dẫn tiêu chuẩn gần nhất: dây AC-185

- Thông số tính toán dây AC-185: r0=0,17 Ω/km; x0=0,401 Ω/km;

- Chọn tiết diện dây dẫn tiêu chuẩn gần nhất: dây AC-70

- Thông số tính toán dây AC-70: r0=0,46 Ω/km; x0=0,440 Ω/km;

b0=2,58.10-6 1/Ω.km; Icp=275A

Kiểm tra dây dẫn đã chọn khi có sự cố

Đối với mạch vòng đã cho, dòng điện chạy trên đường dây 1-3 sẽ cógiá trị lớn nhất khi ngừng đường dây N-1 Khi đó dòng điện trên đường dây1-3 sẽ là:

Isc(4-3)< Icp = 275 A nên thỏa mãn điều kiện phát nóng

→ Dây AC-70 chọn cho đường dây 4-3 đảm bảo.

Dòng điện chạy trên đường dây N-3:

−

++

Isc(N-3)< Icp = 515 A nên thỏa mãn điều kiện phát nóng

→ Dây AC-185 chọn cho đường dây N-3 đảm bảo.

Trường hợp sự cố đường dây N-3 bị đứt, dòng điện chạy trên đườngdây N-4 có giá trị bằng dòng điện chạy trên đường dây N-3 khi sự cố N-4 bịđứt, nghĩa là:

Isc(N-4) = 361,52 A < Icp = 515 A nên thỏa mãn điều kiện phát nóng

→ Dây AC-185 chọn cho đường dây N-4 đảm bảo.

Khi đó dòng điện trên đường dây 4-3:

Isc(4-3)< Icp =275 A nên thỏa mãn điều kiện phát nóng

→ Dây AC-70 chọn cho đường dây 4-3 đảm bảo.

Kết quả tính thông số các đường dây như sau:

Bảng 2.10 Thông số tính toán đường dây cho phương án 5

r,Ω/km

x,Ω/km

b0.10-6,1/Ω.km

R,Ω

X,Ω

10-6,1/ΩN-1 95 58,31 0,33 0,429 2,65 9,62 12,5 154,52N-3 95 44,72 0,33 0,429 2,65 7,37 9,59 118,51N-5 70 50,99 0,46 0,440 2,58 11,72 11,21 131,55N-4 185 41,23 0,17 0,409 2,82 7,00 16,86 58,13N-3 185 44,72 0,17 0,409 2,82 7,6 18,29 63,054-3 70 36,05 0,46 0,446 2,58 16,58 15,86 93,01

b Tính tổn thất điện áp

Tổn thất điện áp trong chế độ làm việc bình thường Trong mạch vòng

có điểm 1 là điểm phân công suất, tại điểm 3 do đó nút này có điện áp thấpnhất trong mạch vòng, nghĩa là tổn thất điện áp lớn nhất trong mạch vòng vàbằng

Trong đó: Tổn thất điện áp trên đường dây N-3

110Khi ngừng đường dây N-4, tổn thất điện áp lớn nhất là:

110

Từ các kết quả tính toán ở trên thấy rằng, đối với mạch vòng đã cho,

sự cố nguy hiểm nhất xảy ra khi ngừng đường dây N-4

Kết quả tính tổn thất điện áp của phương án 5 như sau:

Bảng 2.11 Tổn thất điện áp trên các đoạn đường dây phương án 5

CHƯƠNG III: SO SÁNH KINH TẾ GIỮA CÁC PHƯƠNG ÁN

Quyết định lựa chọn một phương án nào của hệ thống điện cũng phảidựa trên cơ sở so sánh kinh tế - kỹ thuật, nói khác đi là dựa trên nguyên tắcbảo đảm tính cung cấp điện và kinh tế để quyết định sơ đồ nối dây

Tiêu chuẩn khi so sánh các phương án về mặt kinh tế là chi phí tính toánhàng năm:

Trong đó:

a tc : hệ số hiệu quả của vốn đầu tư, a tc = 0,125

a vhđ : hệ số vận hành đối với các đường dây trong mạng điện,

a vhđ = 0,04

: tổng vốn đầu tư về đường dây

: tổng tổn thất điện năng hằng năm

c: giá 1 kWh điện năng tổn thất, c = 1000 đ/kWh

Đối với các đường dây trên không 2 mạch đặt trên cùng một cột Tổng vốn đầu tư để xây dựng các đường dây xác định theo công thức sau

Trong đó

v o : giá 1 km đường dây một mạch, ×106 đ/km;

l: chiều dài đường dây, km.

Tổn thất điện năng trên đường dây được xác định:

max

Trong đó: